基于状态图的装载机自动变速控制

朱玉田,李 凯,刘 钊

(同济大学 机械与能源工程学院,上海 201804)

装载机的工况和一般行驶车辆的工况差异较大,以作业为主的装载机与以行驶为主的汽车有着本质的不同,汽车的自动变速技术无法满足装载机的动力性和经济性要求[1].欧美、日本等发达国家于20世纪80年代率先在工程车辆上使用自动变速技术,已取得良好效果.我国自动变速技术在工程车辆上的应用起步较晚,与发达国家相比有很大的差距.目前国内的装载机仍然普遍采用手动控制变速,自动变速控制技术应用较少.

1 装载机主要作业工况

装载机作为土方石自行式装卸机械,需满足行驶与装卸两大基本需求.装载机开始装卸作业前、结束装卸作业后或作为运输车辆时,通常离目的地较远,需经历一段长距离行驶过程.进行装卸作业时,装载机的作业模式具有重复性,装载机不断地循环执行既定的作业步骤,料堆与自卸汽车的距离根据作业场合不同有远有近.此外,装载机还存在推土作业、通过恶劣路况等工况.

据此,可将装载机常见的作业工况分为4类:长距离行驶工况、短距离循环作业工况、长距离循环作业工况和重载工况.

1.1 长距离行驶工况

装载机作为运输车辆使用或长距离空载行驶时,处于长距离行驶工况,此时装载机不进行铲装作业,类似普通行驶车辆.长距离行驶工况要求有较多的挡位选择,以适应不同的行驶路况.

1.2 短距离循环作业工况

大多数情况下装载机短距离循环作业可分为驶向料堆、铲装物料、驶离料堆、驶向自卸汽车并卸载物料、驶离自卸汽车5步.

在短距离循环作业工况下,装载机以前进2挡驶向料堆,在接近料堆、开始铲装物料前,装载机换入前进1挡,以1挡传动系统输出的大牵引力完成铲装物料的工作;完成铲装后,装载机换入后退2挡,驶离料堆;接近换向点时,装载机减速并换入前进2挡,驶向自卸汽车,接近自卸汽车时,装载机制动停车,进行卸料;卸料后装载机换入倒退2挡,驶离自卸汽车,回到初始位置,进入下一个作业循环.

1.3 长距离循环作业工况

长距离循环作业工况与短距离循环作业工况类似,区别在于料堆与自卸汽车距离较远,驾驶员希望在运输物料与返回的途中换入高挡,提高车速以提高循环作业效率.

1.4 重载工况

当装载机处于重载工况时,驾驶员需要车辆处于低速、大牵引力的状态.例如装载机在进行推土作业或通过极其恶劣的路况时,需要持续处于低挡位,否则可能因为动力不足造成车辆停滞不前、发动机熄火等现象发生,影响作业效率.

2 基于工况模式的自动变速控制策略

2.1 装载机工况模式的设定

针对装载机4类不同的工况,定义4种工况模式:长距离行驶模式、长距离循环作业模式、短距离循环作业模式、重载强制1挡模式.装载机运行时根据所处工况进入相应的工况模式.选择工况模式的常见方法有两种:装载机自动识别和驾驶员手动设定.在此只讨论驾驶员通过操作手柄手动设定工况模式的方法.

装载机自动变速硬件系统主要部件由操作手柄、电子控制单元和电液变速操纵阀组成.其中:电液变速操纵阀是换挡的液压执行部件,控制换挡离合器的充放油与结合油压;电子控制单元具有通信功能,可整车联合控制,具有速度输入和模拟输入通道,可实现车速、油门开度两参数换挡规律控制等.

操作手柄集成方向选择器、工况模式选择器和KD按钮,可实现行车方向选择、工况模式选择和强制降1挡KD功能.垂直手柄中轴推拉可切换前进挡、空挡和倒退挡,旋转手柄末端可切换4种变速模式,沿手柄中轴按下为强制降1挡KD功能,如图1所示.

图1 操作手柄Fig.1 Operation handle

2.2 不同工况模式的控制策略

在长距离行驶模式下,装载机不进行铲装工作,把挡位范围限制为2～4挡,能够满足装载机在长距离行驶工况下对挡位的需求.

换挡规律指两排挡间自动变速时刻随控制参数变化的规律[2].按控制参数的数量,换挡规律可以分为单参数、两参数和三参数等换挡规律.两参数换挡规律为当前采用最多的换挡规律,已能满足车辆在稳定行驶时大部分情况的换挡需求.

在长距离行驶模式下,可选取车速、油门开度作为控制参数,利用两参数换挡规律计算输出挡位.根据对装载机的动力性或经济性的不同需求,可使用不同的换挡规律,如最佳动力性换挡规律、最佳经济性换挡规律.最佳动力性换挡规律的控制目标是使车辆获得最好的动力性能,换挡前后车辆牵引力变化不大;最佳经济性换挡规律的控制目标是改善车辆的燃油经济性,降低车辆燃油消耗率.

在短距离循环作业模式下,驾驶员的操作具有重复性,为了简化操作,在操作手柄上引入强制降挡KD功能.KD功能指当车辆处于前进2挡时,将挡位强制降为1挡.当有新的挡位、方向变化或二次KD信号时,解除KD状态.

引入KD功能后,驾驶员进行短距离循环作业的换挡操作流程:空挡起步,操作手柄换入前进2挡,装载机以前进2挡驶向料堆;铲装物料前,按下手柄KD按钮,装载机以前进1挡进行铲装物料;完成铲装后,直接将手柄切入倒挡,装载机以后退2挡驶离料堆;接近换向点时,手柄切入前进档,装载机以前进2挡驶向自卸汽车,接近自卸汽车时,装载机停车卸料;卸料后手柄切入倒挡,装载机以后退2挡驶离自卸汽车,回到初始位置,进入下一个作业循环.

由此得出短距离循环作业模式的控制策略:锁定2挡行驶,KD信号有效.装载机默认输出2挡,当处于前进2挡时,若满足进入KD条件,则换入前进1挡;满足解除KD条件或变换方向后,则回到2挡行驶的状态.

此变速策略能满足装载机短距离循环作业工况下的动力要求,同时减少驾驶员操纵手柄的次数,降低驾驶员的劳动强度,有利于提高作业效率.

在长距离循环作业模式下,使用车速、油门开度两参数换挡规律控制装载机在2～3挡之间切换,同时KD有效.即当车辆处于前进2挡且满足进入KD条件时,装载机换入前进1挡.当满足解除KD条件或变换方向时,则重新换入2挡.装载机不处于KD状态时遵循换挡规律控制挡位在2～3挡之间切换.

装载机处于重载强制1挡模式时,为了满足大牵引力需求,锁定装载机挡位,使其始终处于1挡.

3 基于状态图的控制策略描述

根据对装载机不同工况下工作情况的分析,使用传统的流程图方法编写软件并不可取.因为在装载机运行过程中,驾驶员根据作业工况的变化随时可能改变车辆的变速策略,改变策略后车辆将如何反应、进入什么状态以及进入各状态后该如何动作,此类问题用流程图并不能表示清楚[3].因此,需要采用基于状态图的编程方法编写软件.

3.1 基于状态图的编程方法

状态机(或称有限状态机,Finite State Machine)是用来描述对象在其生命周期内经历的各种状态,以及这些状态之间的转移和行为动作的模型.因其在逻辑顺序和时序规律对象的建模方面的便利性,其被广泛应用于电子工程、计算机科学、语言学、逻辑学等学科[4].

状态机包含若干个状态图,状态图的基本要素有状态、迁移和动作.状态图包含有限个状态,在某一时刻,状态图只能处于某一状态.当迁移事件发生或满足迁移条件时,状态之间发生转移,并执行状态内的动作,如图2所示.状态动作类型有多种,常用的动作类型如表1所示.

3.2 状态总图

根据不同工况模式之间的关系可绘制出状态总图,其描述了不同工况模式之间如何切换,如图3所示.

图2 状态图的组成Fig.2 Parts of state chart

动作类型英文缩写定义转入en进入该状态时的动作执行du处于该状态时的动作转出ex离开该状态时的动作

图3 状态总图Fig.3 General state chart

状态总图包含4个子状态,对应4种工况模式.装载机启动后,由驾驶员操作手柄选择工况模式,装载机进入该工况模式的状态,执行该状态下的控制策略.一旦驾驶员改变工况模式,则状态图发生迁移,跳出当前状态,进入新的工况模式对应状态.

3.3 状态分图

以短距离循环作业模式为例绘制状态分图,如图4所示.

短距离循环作业工况下的装载机存在两个大状态:空挡状态和非空挡状态.其中,非空挡状态包含两个子状态:强制2挡行驶状态和强制1挡行驶状态.强制2挡行驶状态执行动作为输出2挡,既包括前进2挡也包括后退2挡.强制1挡行驶状态执行动作为输出前进1挡.

当车辆处于强制2挡行驶状态时,若挡位为前进2挡且满足进入KD条件,则车辆进入强制1挡行驶状态,输出前进1挡;若满足解除KD条件,车辆则回到强制2挡行驶状态.KD触发与解除方式包括人工KD方式和自动KD方式.人工KD方式即驾驶员通过操作手柄上的KD按钮实现触发或解除KD功能,按下按钮触发KD,再次按下解除KD;自动KD方式通过采集车辆的状态信号,由控制器自动判断是否触发或解除KD功能,例如采集车速、油门开度信号,当车速低且油门大时,车辆自动进入KD状态.两种方式既可单独采用其中一种,也可结合两者共同使用.

图4 短距离循环作业模式状态分图Fig.4 State chart of short-range cycle

4 结语

本文对装载机工作过程进行了分析,总结了装载机常见的4种作业工况以及各工况的特点,在此基础上设置了4种工况模式,并采用了驾驶员通过操作手柄设定工况模式的方法.进一步制定了装载机多工况模式的自动变速控制策略,其中重点分析了车辆长距离行驶模式和短距离循环作业模式的控制策略.制定长距离行驶模式控制策略时进行了车辆换挡规律分析,并根据工况特点采用了两参数换挡规律控制车辆换挡;制定短距离循环作业模式控制策略时分析了循环作业工况的操作特点,在手动变速系统操作基础上增加KD功能,简化了驾驶员的操作,提高作业效率.策略的实现使用了基于状态图的自动变速控制编程方法,开发了自动变速控制软件,绘制了自动变速控制的状态总图和状态分图.